FDS是Fire Dynamics Simulator(火灾动力学模拟器)的缩写。官方网站是http://www.fire.nist.gov/fds。FDS是一个专注于火灾模拟的CFD求解器，而Smokeview则是它的后处理器。FDS本身是没有图形化前处理器的，也就是用户要先编辑命令定义要求解的问题。FDS是由美国NIST(National Institute of Stardard and Technology，美国国家标准与技术研究院)开发的免费(对的，免费，因此你可以下载安装)CFD软件。Pyrosim是我在网上找到的(Google里搜索关键字FDS fire，右边会显示赞助商链接)。它是第三方开发的图形化FDS前处理器。PyroSim不是免费软件，但是提供30天的试用。对于学习者来说，30天应该是足够了。
想在网上找一些关于FDS的中文资料，但是系统的介绍很少。这个博客(人间四月芳菲尽)对FDS有零星的介绍。可惜的是，有一段时间没有更新了。在sogou里面搜索Pyrosim，只有屈指可数的几个结果。看来这个软件的应用还不是很广泛。
FDS的下载地址是：http://www.fire.nist.gov/fds/download/fdsall_407a.exe。在官方网站上，还有其它相关信息，比较有用的是FDS/Smokeview example，当中有超过150个算例，可以让初学者了解一下软件的功能。其他的文档在官方网站或者安装目录下都可以找到。其中，User's gudie(用户手册)是介绍软件的基本使用，而Technical reference guide(技术参考手册)是介绍求解器的模型及背景理论，需要一定的CFD基础以及相当长的时间消化。
对于FDS的input file(输入文件)，这里就不多做解释了，一是因为本人并不熟悉这些功能，而是因为PyroSim提供了图形化前处理功能，把用户从枯燥的命令行中解放了出来。Pyrosim的官方网站是http://www.pyrosim.com/。用户提交了基本注册信息后，会收到一封含有下载地址的email。安装文件大概有45M。实际上，该安装文件不光有Pyrosim主程序和帮助，还有FDS/smokeview的主程序及文档。也就是说，如果你决定使用PyroSim，是不用单独下载FDS的。
下面我们要来做两个模拟，一个是Pyrosim Example Guide里面的第一个例子(Chapter 1. Air Movement)，然后修改这个例子，做一个隧道火灾的模拟。
1. 运行一个FDS例子
1.1 启动PyroSim(并打开Example Guide, Chapter 1)。具体就不多说了，开始>程序>…………
下面是PyroSim启动时的截图，上面有中文“火”的写法，但是看起来似乎是源自日文汉字(Kanji)的火。但是开发PyroSim的Thunderhead engineering是一家位于美国的公司。
1.2 建立网格
选择Model > Edit Grid ... 在跳出的面板上点New。把网格的边界设置为Min X = 0，Max X = 10，Min Y = 0，Max Y = 10，Min Z = 0，Max Z = 10。同时把网格数量设为X cells = 20，Y cells = 20，Z cells = 20。如下图所示：
在FDS里面，基本形状只能是长方体的(尽管通过长方体的组合，能模拟复杂的几何形状)。网格也只能是正交网格(点确定后可以看到)。这个例子是模拟风洞内的燃烧，风洞尺寸为10米*10米*10米。每边划分成20个网格，总共有8000个网格。在FDS中，由于求解器的特殊要求，每边划分的单元数通常要求是2，3或5的倍数。
点击OK后，网格就生成了，如下图所示：
1.3 定义粒子
这里的粒子并不是通常CFD软件里的拉格朗日粒子，只是为了后处理方便而定义的示踪粒子。选择Model > Edit Particles ...，然后点New。不要选Particle Have Mass，这样粒子没有质量，仅是示踪粒子。选中Color Particles During Animation，使用默认的颜色，红色。这样在结果中会有红色的示踪粒子。
1.4 建立面
实际上，在建立网格的时候，我们已经得到了计算模型。这里的面是用来定义边界条件。要注意的是，这里仅仅定义边界条件，而没有给模型中的面指定边界条件。也就是说只定义边界上的物理条件，但并没有和模型中的边界联系起来。
定义入口边界。Model > Edit Surface Properties ...，点New。Surface name是BLOW，使用INERT作为模板。选择surface type为 "Fan/Wind”。然后下面会有很多选项。系统定义的表面类型都有明确的物理意义，还是比较好懂的。Fan/Wind里可以定义入口空气的温度和速度。为了便于区分，把Color选成蓝色。Air Temperature = 20 C，Specify Normal Velocity = -1.0 m/s。-1.0 m/s代表气流速度为1m/s，方向为进入计算域(+1.0m/s为出)。第三个标签下，选中Emit Particles，Particle Type = PART。最后点OK。各步骤的截图如下：
在这里例子里面，只需要定义BLOW这一个面，其余的面可以用系统定义的来表示。
1.5 定义边界条件
这里是真正指定表面的边界条件。
定义入口。选择Model > New Vent ...，在Specification标签下，Description = Vent Blow，Type = BLOW，Lies in the plane X = 0.0，Min Y = 3，Max Y = 7，Min Z = 3，Max Z = 7。在X=0平面上，有4*4的范围为BLOW的边界条件。点OK，离开界面。具体操作和操作后的结果为：
定义出口。步骤和上面的基本一样，Model > New Vent ... > New。Description = Vent Open，Type = Open，Lies in Plane X = 10，Min Y = 3， Max Y = 7，Min Z =3，Min Z = 7。在和入口相对的面上，有一个4*4的通风口。
1.6 定义切面
FDS使用LES模型模拟湍流，会产生大量的瞬时数据。FDS里面需要定义切面，只有切面数据会保存。
Output > Slices ...。XYZ plane = Y，Plane value = 5，Gas Phase Quantity = Velocity，Use Vector = No。OK。在Y=5平面上，保存速度值，但是不保存矢量。
1.7 设定模拟参数
FDS > Simulation Parameters ...。Simulation Title = Wind Tunnel，Specify Duration = 60 s，Initial Time Step = 0.15 s。数值模拟总时长为60秒，初始时间步长为0.15秒(后面的时间步长有系统自动决定)。OK。
1.8 运行FDS
FDS > Run FDS ... 先要保存一个*.data文件(自行命名)。然后FDS开始求解，求解过程如下图所示：
1.9 检查结果
FDS算完60秒后，会自动弹出SmokeView窗口。 在上面点右键Load/Unload > Slice File > VELOCITY > *Y=5.0。会显示前面定义的切面上的速度云图。
在上面点右键Load/Unload > Particle file > *SMOKE/WATER。会显示粒子轨迹。
至此，我们已经完成了FDS里面的第一个练习。下面可以修改上面的例子，做一个隧道内火灾的模拟。
2. 隧道火灾模拟
隧道内的火灾模拟是一个很常见的FDS应用。如果在隧道内发生火灾，如果通风系统没有工作，燃烧产生的烟会向两边对称扩散，引起能见度的下降，和对隧道内人员的健康威胁。通常，需要在隧道入口装风扇，把烟吹向出口，这样烟雾就不会向入口扩散。烟雾向上游的扩散成为是逆流(back layer flow)。入口风速大，逆流长度就小，或者没有逆流；入口风速小，逆流长度就长。逆流长度刚好为零的入口风速成为是临界速度(critical velocity)。FDS广泛使用于逆流的研究。
这里要做的是一个60*16*6的隧道。入口速度是3m/s，入口温度是25C。在底部有一块8*8的燃烧区域，火灾大小为100MW。为了简化问题没有模拟过程，而是直接把100兆瓦的热量直接分布在64平方米的面积上，折合1562.5kw/m2。
2.1 继续前面的模型
下面要修改前面建立的模型。如果模型没有打开，可以打开保存的*.psm或者*.data文件。
2.2 建立网格
在左边的树形目录上，双击Grids > GRID。在弹出的面板上，修改Max X = 60，Max Y = 16，Max Z = 6，X cells = 120，Y cells = 32，Z cells = 12。OK。点OK后，可能模型不在屏幕中央，可以点击工具栏上右数倒数第二个图标(Reset View to All Visible Objects)重置显示。步骤和结果如下所示：
2.3 建立面
这里需要建立两个面。第一个面是入口，修改前面的BLOW条件；第二个面是FIRE，需要创建。
在左边双击Surfaces > BLOW。Properties > Air Temperature = 25 C。Air Flow > Specify Normal Velocity = -3 m/s。
Model > Edit Surface Properties ... > New...，Surface Name = FIRE，OK。Surface Type = Non-Flammable Solid。Boundary Conditions > Boundary Types = Fixed Heat Flux，Heat Flux = 1562.5，OK。
2.4 定义边界条件
按照上面的描述，有三个边界条件需要定义。
双击Model > Vent Blow。把整个X=0平面设成是入口。Min Y = 0，Max Y = 16，Min Z = 0，Max Z = 6。OK。
双击Model > Vent Open。把整个X=60平面设成是出口。Lies in the plane X = 60，Min Y = 0，Max Y = 16，Min Z = 0，Max Z = 6。OK。
新建一个Fire Region边界条件，在主菜单上选择：Model > New Vent。Description = Vent Fire，Type = FIRE，Lies in the plane Z = 0，Min X = 26，Max X = 34，Min Y = 4，Max Y = 12。OK。
过程及结果如下：
2.5 定义切面
在Y=8平面定义一个切面。Output > Slices ...。把Plane Value改成8。在Y=8平面定义一个新的切面，来显示温度。因为我们没有模拟燃烧，根据温度场可以大概知道烟雾的分布。XYZ Plane = Y，Plane Value = 8，Gas Phase Quantity = TEMPERATURE，Use Vector? = No。
2.6 设定模拟参数
模拟的总时长为60秒。FDS > Simulation Parameters ...。Simulation Title = Tunnel Fire，Specify Duration = 60，Initial Time Step = 0.1。OK。
2.7 运行FDS
FDS > Run FDS ...。先保存一个合适的*.data文件。然后求解器会启动。求解过程大约为15分钟(在我的电脑上)。求解结束后，会自动跳出SmokeView。
1.9 检查结果
在自动弹出SmokeView窗口上面点右键Load/Unload > Slice File > TEMPERATURE > *Y=8.0。会显示前面定义的切面上的温度云图。
1.10 分析
在上面的温度云图中，我们可以看到，在入口速度为3m/s的时候，隧道内有非常显著的回流。也就是说3m/s的入口速度，不足以阻止烟气向上游扩散。有兴趣的朋友可以增加入口速度，看看这个问题的临界速度是多少。我试出的临街速度是4.5m/s左右。
另外一个问题是这个结果准确吗？理论上来说LES和k-e相比，有很大的优越性，但是由于FDS使用是有限差分的方法，而且没有检查收敛性(explicit)，通常情况下只能作为参考。比如这个例子，有兴趣的朋友，可以用Fluent/CFX建模算一下，Fluent/CFX给出的临界速度应该在2.7m/s左右。差别还是相当大的。另外根据我的测试(和一组条件不同的实验数据的比较)，基于k-e的Fluent/CFX结果通常会稍稍低估临街速度。但是总体而言，还是Fluent/CFX的结果更加可信。值得提醒的是，用Fluent/CFX的时候，一定要记得加上浮力修正。
，两个切应力分量，
)。显然，和其他矢量一样，各分量的大小是和坐标系的选取有关的。
代表作用在x平面，y方向的切应力。
，
，
。这是因为微粒表面上的力矩是平衡的，否则该微粒将会有无限大的旋转加速度。如上图所示的二维情况，如果
，该微粒表面上的力相对于A点的力矩为
(假设正方形边长为1，力矩的定义为
)。要满足力矩平衡，必须有